張杰琦

（太原市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心，山西 太原 030002）

引言

2021 年2 月，國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》提出，推進(jìn)工業(yè)綠色升級、壯大綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)和構(gòu)建綠色供應(yīng)鏈，加快實(shí)施鋼鐵、石化、化工、有色、建材、防治、造紙、皮革等行業(yè)綠色化改造[1]。炭黑生產(chǎn)作為我國化工行業(yè)的重要組成部分[2]，從古至今一直被認(rèn)為是高耗能、高污染的行業(yè)[3]，所以其生產(chǎn)過程節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)炭黑行業(yè)清潔化生產(chǎn)、建設(shè)我國生態(tài)文明的需要，也是實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境高標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)、推動經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

1 炭黑生產(chǎn)工藝概述

炭黑的生產(chǎn)工藝有很多種，主要有爐法、接觸法和裂解法。目前隨著天然氣價(jià)格的上漲，油爐法已成為炭黑生成的主要方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油爐法炭黑的產(chǎn)量已經(jīng)占炭黑總產(chǎn)量的95%以上[4]。

油爐法生產(chǎn)炭黑，生產(chǎn)過程分為4 個(gè)階段：炭黑生成反應(yīng)、炭黑收集分離、炭黑造粒干燥和炭黑精制儲運(yùn)。

炭黑生產(chǎn)工藝，如圖1 所示。

圖1 油爐法炭黑生產(chǎn)工藝

1.1 炭黑生成反應(yīng)

燃料焦?fàn)t煤氣經(jīng)煤氣管線送入噴燃器中，與主供風(fēng)機(jī)提供的并經(jīng)高溫空氣預(yù)熱器預(yù)熱的空氣在炭黑反應(yīng)爐燃燒段進(jìn)行混合、完全燃燒，產(chǎn)生高溫燃燒氣流進(jìn)入反應(yīng)爐的喉管段。原料油脫水處理后，經(jīng)原料油過濾器、原料油泵送到原料油預(yù)熱器預(yù)熱后，再通過原料油噴咀徑向噴入炭黑反應(yīng)爐的喉管段，與高溫燃燒氣流混合后，迅速裂解并生成炭黑。含炭黑的高溫?zé)煔饬鬟M(jìn)入反應(yīng)爐急冷段進(jìn)行一次急冷，終止炭黑裂解反應(yīng)，并冷卻炭黑尾氣。從低溫空氣預(yù)熱器排出的炭黑煙氣進(jìn)入余熱鍋爐、原料油預(yù)熱器進(jìn)行降溫，并進(jìn)入二次急冷段降溫后進(jìn)入炭黑收集系統(tǒng)。

1.2 炭黑收集分離

降溫后的炭黑煙氣進(jìn)入主袋濾器，附著在袋濾器上的炭黑用主袋濾器反吹風(fēng)機(jī)定期進(jìn)行吹掃，使其落入袋濾器貯斗，由主袋濾器收集的炭黑經(jīng)主袋濾器氣密閥進(jìn)入風(fēng)送系統(tǒng)，主袋濾器排出的炭黑尾氣可作為干燥機(jī)燃燒器的燃料和發(fā)電裝置的燃料進(jìn)行綜合利用。

炭黑進(jìn)入風(fēng)送系統(tǒng)，采用空氣輸送，通過粉碎機(jī)對其進(jìn)行粉碎（粒徑20 m～30 m），再經(jīng)風(fēng)機(jī)送到收集袋濾器，炭黑被收集到粉狀炭黑貯罐中，從收集袋濾器出來的煙氣經(jīng)排氣筒排入大氣中，粉狀炭黑經(jīng)炭黑貯罐內(nèi)攪拌器攪拌后由主供料輸送器送入濕法造粒機(jī)進(jìn)行造粒。

1.3 炭黑濕法造粒、干燥

將粉狀炭黑、造粒水、粘結(jié)劑等按比例輸入造粒機(jī)，在攪齒的高速旋轉(zhuǎn)作用下，粉狀炭黑排出表面吸附的氣體，與造粒水強(qiáng)烈混合，在造粒水的均勻浸濕作用下，使得炭黑表面具有一定的粘結(jié)力，物料之間相互碰撞粘結(jié)，形成不規(guī)則的顆粒，逐步變大，得到粒狀炭黑。

濕法造粒機(jī)處理后的濕炭黑粒子進(jìn)入干燥機(jī)，干燥機(jī)燃燒器以炭黑尾氣作為燃料，供風(fēng)機(jī)將空氣和炭黑尾氣一起送入燃燒器，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體與炭黑進(jìn)入干燥機(jī)滾筒逆流接觸換熱干燥。

1.4 炭黑精制儲運(yùn)

干燥處理后的炭黑粒子，經(jīng)提升機(jī)送至篩選機(jī)、磁選機(jī)等進(jìn)行精制，最后輸送至成品儲罐經(jīng)包裝機(jī)包裝送入產(chǎn)品庫。

炭黑生產(chǎn)裝置，如圖2 所示。

圖2 油爐法炭黑主要生產(chǎn)裝置

2 生產(chǎn)裝置節(jié)能分析

2.1 反應(yīng)爐

生產(chǎn)炭黑的核心裝置是反應(yīng)爐，分為燃燒段、喉管段、反應(yīng)段、急冷段和停留段。炭黑粒子的大小和粒徑分布取決于反應(yīng)爐中能量的轉(zhuǎn)換。實(shí)踐證明，每對反應(yīng)爐進(jìn)行改造均會帶來炭黑生產(chǎn)質(zhì)的飛躍。根據(jù)產(chǎn)品炭黑的性能合理設(shè)計(jì)反應(yīng)爐可有效降低能量的消耗。

炭黑生產(chǎn)過程中，需要大量的空氣與燃料進(jìn)行混合，經(jīng)完全燃燒后，為原料油裂解提供熱能。空氣由主供風(fēng)機(jī)提供，該設(shè)備是炭黑生產(chǎn)過程中主要的耗能設(shè)備，約占整個(gè)炭黑生產(chǎn)裝置總耗能的30%。不同的炭黑型號生產(chǎn)時(shí)所需風(fēng)量不同，建議在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)時(shí)采用調(diào)頻電機(jī)，以滿足生產(chǎn)不同型號炭黑所需[3]。

2.2 空氣預(yù)熱器

參與燃燒的空氣預(yù)熱溫度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，合適的溫度科技增加燃燒熱、降低原料油的消耗，提高反應(yīng)爐的效率。根據(jù)閆一野的相關(guān)研究，空氣預(yù)熱器溫度升高100℃，可有效提高15%的炭黑產(chǎn)量[4]。高溫空氣預(yù)熱器溫度與節(jié)能降耗指標(biāo)的關(guān)系，如表1 所示。

表1 高溫空氣預(yù)熱器溫度與節(jié)能降耗指標(biāo)的關(guān)系 %

可充分利用炭黑生成后的高溫?zé)煔鈦眍A(yù)熱空氣預(yù)熱器，避免高溫?zé)煔獾臒崃繐p失。

2.3 余熱鍋爐

炭黑生成后的高溫?zé)煔饨?jīng)空氣預(yù)熱器換熱后，溫度顯著降低，但此時(shí)的出口煙氣溫度仍高達(dá)625℃，利用此高溫?zé)煔饪稍O(shè)置余熱鍋爐，通過軟水與高溫?zé)煔獾膿Q熱，既降低了煙氣溫度，又產(chǎn)生了低壓蒸汽用于生產(chǎn)線的管道保溫等。

2.4 原料油預(yù)熱器

原料油溫度升高時(shí)，粘度下降、表明張力降低，有利于原料油形成霧化。利用煙氣預(yù)熱原料油預(yù)熱器的原理是：炭黑反應(yīng)生成的含炭黑熱氣流經(jīng)極冷和空氣預(yù)熱器、余熱鍋爐降溫至450 ℃～550 ℃，進(jìn)入原料油預(yù)熱器，經(jīng)換熱后，原料油預(yù)熱器溫度達(dá)200 ℃～260 ℃，出口煙氣溫度將至350 ℃左右。原料油預(yù)熱器的設(shè)計(jì)，改變了炭黑生產(chǎn)過程中余熱利用率較低的現(xiàn)象，對余熱的充分利用，有利于提高炭黑炭的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3 尾氣綜合利用分析

炭黑生產(chǎn)過程中經(jīng)主袋濾器分離后的炭黑尾氣具有一定的熱值。尾氣主要成分，如表2 所示。

表2 炭黑尾氣主要成分組成表

炭黑尾氣中含CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w，約占尾氣總體積的20%，是可以回收和利用的能源。炭黑尾氣經(jīng)管道收集，部分炭黑尾氣作為干燥機(jī)燃燒器的燃料；部分炭黑尾氣進(jìn)入鍋爐房，利用燃?xì)忮仩t驅(qū)動汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)尾氣綜合利用。

4 炭黑生產(chǎn)其他節(jié)能措施

4.1 精制加工設(shè)備及炭黑回收系統(tǒng)

通過對精制加工設(shè)備和管道采取必要的保溫措施，采用新技術(shù)、新材料和新設(shè)備等加強(qiáng)炭黑精制及回收率[5]，有效提升產(chǎn)品的質(zhì)量，降低廢品產(chǎn)生率。

4.2 采用集散型微機(jī)控制系統(tǒng)

集散型微機(jī)控制系統(tǒng)通過對主要工藝參數(shù)進(jìn)行自動邏輯處理調(diào)整，同時(shí)具備連鎖報(bào)警功能，可大幅度提高生產(chǎn)工藝操作的穩(wěn)定性和靈活性。

4.3 運(yùn)用節(jié)水技術(shù)

對主供風(fēng)機(jī)設(shè)備的冷卻水、生產(chǎn)過程中的冷卻水進(jìn)行回收，重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)循環(huán)用水；對生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽進(jìn)行冷凝回收，可有效降低水資源的消耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

隨著炭黑生產(chǎn)工藝的不斷創(chuàng)新、生產(chǎn)設(shè)施的升級改造，炭黑行業(yè)在污染防治方面取得了不錯(cuò)的成績。但炭黑行業(yè)仍屬于高耗能、高污染的“兩高”項(xiàng)目。炭黑從業(yè)人員需不斷提升自身管理水平和專業(yè)技術(shù)能力，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，加強(qiáng)炭黑生產(chǎn)過程節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，注重清潔化生產(chǎn)，努力實(shí)現(xiàn)企業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展，才能更好的推動企業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。